基于CAN总线的分布式光伏电力设备监测系统

余运俊，张燕飞，万晓凤*，郑博福，杨晓辉

(1.南昌大学信息工程学院，江西南昌330031；2.南昌大学环境工程学院，江西南昌330031)

基于CAN总线的分布式光伏电力设备监测系统

余运俊1，张燕飞1，万晓凤1*，郑博福2，杨晓辉1

(1.南昌大学信息工程学院，江西南昌330031；2.南昌大学环境工程学院，江西南昌330031)

为方便对分布式光伏发电设备运行状态进行实时的监测，设计了基于CAN总线的设备监测系统。该系统以TMS320F28335为控制器对光伏电力设备的各种状态参数进行采集，通过CAN总线与工控机构成通信网络，利用工控机实现对光伏发电设备运行状态的集中显示，从而更加直观地了解各设备的运行状态，同时便于应用各种算法，实现微网控制功能。实验结果表明，该监测系统运行稳定、实时性高，能够长时间在线实时监测，取得了良好的效果。

分布式光伏发电；CAN总线；TMS320F28335；设备监测系统

分布式光伏发电是一种新型的、具有广阔发展前景的、可提高能源综合利用效率和供电可靠的发电方式[1]。它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，有效地解决了电能在高压输电过程中的损耗问题。分布式光伏发电一般建在用户侧，具有容量小、投资小、清洁环保、供电可靠和发电方式灵活等优点，可以应用在工业厂房、公共建筑及居民屋顶上[2]。近年来，分布式光伏发电与建筑一体化结合得到了越来越广泛的应用，经常作为建筑物的主要电能来源[2]。在分布式光伏发电组件系统中主要包括太阳能光伏电池板、环境仪、光伏防雷汇流箱、蓄电池组和光伏逆变器等设备，以一学校建筑物为依托，共有六个屋顶，在每个屋顶上都安装一套发电功率最大为20 kW的太阳能光伏组件，为保证该发电系统安全、经济、稳定运行，需要对各设备的运行状况进行实时地监测，并把采集到有关数据传送至工控机，通过工控机强大的数据处理和分析能力，对采集的各种状态参数进行分析处理，并通过工控机上的监测界面对各设备的运行状态进行集中显示，实现对分布式光伏电力设备的有效监测，对该发电系统安全、经济和稳定运行具有十分重要的现实意义。

1 系统的通信总线选择

在传统的通信系统中，由于RS485总线成本较低、接口简单，还具有多机通讯的能力，使其在智能家居、远程控制、楼宇自动化控制、监控报警等领域得到了广泛地应用[3]。但是受通信协议的限制，RS485总线数据传输速率较低，通信失败率较高，容纳的节点数较少[4]，而且它不能够做总线的自动仲裁以避免总线竞争，当有多个节点同时向总线发送数据时，将会造成整个通信系统的数据冗余量较大，通信效率下降，严重时可能会导致整个通信网络的瘫痪[4]。与RS485总线相比，CAN总线具有通信速率高、传输距离长、通信失败率低、容纳的节点数多等优点，而且CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术，当有多个节点同时向总线发送数据时，总线将做出自动仲裁，具有更高优先级的报文将被传输，从而避免了总线冲突[5]，故CAN总线更加适用于节点数较多的通信系统。

本文设计了一种基于DSP数据采集和CAN总线的通信系统对分布式光伏发电的各设备进行监测，采用TI公司的32位浮点处理器TMS320F28335作为数据采集系统的主控芯片，并与工控机构建成一个CAN总线通信网络，通过CAN总线把采集的数据发送给工控机处理，解决了RS485总线通信的不足，大大提高了通信的实时性和稳定性，降低了通信的失败率。

2 CAN总线通信技术

2.1 CAN总线概述

CAN即控制器局域网，是一种点对点，或者一点对多点的串行通信协议，可以有效地支持分布式实时控制，具有较高的通信速率和较强的抗干扰能力[5]。更关键的是，CAN总线具有非破坏性避免总线冲突的特点，可以保证在产生总线冲突的情况下，具有更高优先级的消息没有被延时传输，提高了实时性。CAN总线的物理通信介质简单，采用的是双绞线进行差分信号的传输。

2.2 CAN总线的工作原理

CAN总线上可以同时挂载多个CAN节点的设备，每个节点之间相互独立，不受其他节点的影响。各个节点不仅可以发送自己的报文，也可以接收来自总线的报文。对于单个CAN节点，无论总线上的报文是否发送给自己，它都会接收，然后通过内部的验收屏蔽寄存器来判断此报文是否为要接收的报文[5]。若2个或2个以上的CAN节点同时发送数据就会产生竞争，即总线冲突。此时，CAN总线就按位对标识符进行仲裁，标识符较小的报文具有更高的优先级，获得总线的控制权，优先级低的节点自动退出总线竞争，直至总线空闲再发送报文。在同一个CAN控制网络结构中，CAN节点的标识符唯一。

2.3 CAN总线数据格式

CAN总线采用多主串行通信，数据信息以报文的形式从发送器到接收器，CAN总线规范定义了2种不同的数据帧格式，主要区别是两种帧格式的标识符长度不同：标准帧的标识符为11位，扩展帧的标识符为29位，本文采用标准帧进行报文的传输，其格式如图1所示，主要由仲裁区、控制区、数据区、CRC校验区以及帧结束区几部分组成[5]。

3 CAN总线监测网络结构

分布式光伏发电监测系统主要由工控机(上位机)、DSP数据采集系统(下位机)、CAN总线等组成的。其中，DSP数据采集系统负责采集分布式光伏发电系统的各种状态参数，如：光伏阵列输出的电压、电流；三相光伏逆变器直流侧的电压、电流及交流侧的三相并网相电压、相电流和频率；环境仪输出的光照强度、环境温度、风速等环境参数[6]。DSP数据采集系统将采集的数据经处理后，以CAN数据的格式组成一帧报文，由CAN收发器发送至CAN总线上，工控机通过CAN接口卡接收来自CAN总线上的报文，对有关状态参数进行显示和分析，并根据分析的情况形成新的控制策略发送至DSP系统。

图1 标准数据帧格式

分布式光伏发电系统设备的监控通信系统如图2所示，工控机对各分布式光伏发电系统的设备进行集中显示和控制，以完成对分布式光伏发电各设备进行实时的监控。DSP数据采集系统完成分布式光伏发电系统各设备状态参数的实时采集，通过CAN总线与工控机进行通信，以及执行工控机发送给DSP系统的有关控制命令以及每套光伏发电系统出力的有功功率和无功功率等。工控机采用USBCAN智能CAN接口卡，它完全支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，符合ISO/DIS11898规范，通信速率最大可达到1Mbps，不仅具有体积小、即插即用等特点，而且支持在VC++、C++Builder、VB等开发环境下进行设计。DSP数据采集系统的控制器采用TI公司最新的浮点型处理器TMS320F28335，它的最高工作频率可达到150MHz，具有强大的数据处理能力，相比于TI公司的另一高端芯片TMS320F2812，它最明显的优势在于增加了浮点处理单元FPU，可同时执行定点和浮点运算，对于浮点型算法，如快速傅里叶变换(FFT)和有限脉冲响应(IIR)数字滤波，将会提高约50%的处理速度[5]。它的eCAN模块为CPU提供了完整的CAN2.0B协议，减小了通信时的CPU开销[5]。它还自带12位ADC模块，具有16路转换通道，80 ns的快速转换时间，非常适合作为数据采集系统的主控芯片，满足了对分布式光伏发电系统中各设备数据采集的实时性、可靠性和复杂算法处理能力等要求。

图2 光伏发电设备监控系统

4 DSP数据采样系统的硬件设计

光伏汇流箱装置带有RS485接口，可以把测量和采集到光伏阵列输出的总电压、总电流和设备状态等参数进行上传，DSP数据采集系统只要通过RS485总线通信即可得到汇流箱的有关状态参数。

4.1 逆变器输出电压电流采样电路的设计

采样电路包括信号转换、信号滤波、信号放大和电压提升电路等环节，电流互感器采用的是高精密的SCT214GZ，电压互感器采用的是SPT204A，这两款互感器都是将原边的信号转换为弱电流信号，所以交流电压电流的采样电路基本是一致的。具体电路如图3所示，对光伏逆变器输出的A相电流进行采样为例进行说明，A相经电流互感器后的电流首先经过I/U变换电路，将交流电流信号转换为交流电压信号，之后经过电压放大调理电路，把交流电压信号放大至适当的范围。因为F28335的ADC模块的电压输入范围是0～3 V，故要把交流电压信号变换成0～3 V的直流电压信号，对放大调理电路的输出进行电压提升处理，以保证输入ADC模块的电压信号范围为0～3 V，最后将电压信号通过一个二阶巴特沃斯低通滤波器以除去高频干扰信号后送入F28335的ADC通道。

图3 交流电流信号的采样电路

4.2 频率测量电路设计

光伏逆变器输出的相电压通过精密的电压互感器对信号进行采集，如图4所示，再由电压调理电路和电压比较器进行过零检测，将正弦波进行整形，得到与相电压频率相同的方波信号，利用F28335的eCAP模块对方波的上升沿或下降沿进行捕捉，根据通用定时器GPT单元的计数值来计算光伏逆变器输出的电压频率。

图4 频率测量电路

5 系统软件设计

系统软件的设计主要包括工控机的监控界面设计和DSP系统的CAN通信程序设计。工控机的监控界面采用VC++开发环境进行设计，并结合USBCAN智能CAN接口卡提供的工具包软件已完成CAN总线通信，并将接收到的报文经处理后存入SQLServer2008数据库中[7]。DSP中的CAN总线通信程序的设计主要包括eCAN模块的初始化、CAN报文接收和发送程序。

5.1 eCAN模块的初始化[5]

在使用F28335的eCAN模块前，必须对其进行初始化，初始化主要完成的工作为配置I/O引脚、CAN通信波特率的设置、设置发送及接收邮箱，图5为eCAN模块初始化流程。

图5 CAN模块初始化流程图

5.2 CAN报文的接收程序[5]

在F28335中的eCAN模块在接收报文时，先将要接收的报文的标识符与相应的接收邮箱的标识符相比较，只有标识符相同的报文才能被接收。为了提高CPU的工作效率，F28335接收CAN报文采用中断方式接收，图6为eCAN模块接收程序流程。

图6 CAN模块接收程序流程图

5.3 CAN报文的发送程序[5]

分布式光伏发电系统的设备状态参数经过F28335后交由CAN发送程序，把报文发送至CAN总线上。发送时按照CAN数据标准帧的格式组成一帧帧报文，写入到相应的发送邮箱，启动发送即可把报文发送至CAN总线上，发送程序流程如图7所示。由于DSP数据采集系统采集的有关状态参数都是浮点型数据，要占用四个字节的数据长度，故一帧标准数据帧报文只能包含两种不同类别的状态参数，数据帧的具体定义如表1所示。F28335每隔2 s向CAN总线发送9帧报文，最后一帧的最后4个字节为结束标志。

图7 CAN模块发送程序流程图

6调试与实验结果

通过TI公司提供的CCSv3.3开发软件、TMS320F28335数据采集系统、ICETEK-5100USB v2.0仿真器以及USBCAN智能CAN接口卡进行了数据采集和CAN总线通信实验，实验结果如图8所示，工控机与TMS320F28335的CAN总线通信快速准确，工控机通过CAN总线从TMS320F28335读取数据，并在监控界面上实时地显示了各设备的运行状况，该工控机能同时对多套太阳能光伏发电组件进行监控。实验结果证明，工控机的监控软件可以通过USBCAN智能CAN接口卡实时地接收来自下位机发送的报文，而且实时性高，效果良好。

7 总结

为了监控分布式光伏发电系统的实时运行状况，设计了一种基于DSP的数据采集和CAN总线的通信网络系统，并将各设备的运行状况在工控机上集中显示。该系统还充分利用了TMS320F28335强大的数据处理能力，大大地提高了数据采集的速度和精度，采用CAN总线通信，提高了通信的实时性、安全性和稳定性。分布式光伏发电建筑一体化和光伏并网系统将是以后发展的趋势，基于CAN总线的分布式光伏发电监控系统对提高光伏发电效率、智能化控制水平以及优化光伏发电的实时性有重要作用，有良好的应用前景。

图8 工控机监控界面

[1]王震，鲁宗相，段晓波，等.分布式光伏发电系统的可靠性模型及指标体系[J].电力系统自动化，2011，35(15)：18-24.

[2]王成山，杨占刚，武震.一个实际小型光伏微网系统的设计与实现[J].电力自动化设备，2011，31(6)：6-10.

[3]冯子陵，俞建新.RS485总线通信协议的设计与实现[J].计算机工程，2012，38(20)：215-218.

[4]叶琴瑜，胡天友，何耀.基于CAN总线的光伏电站监控系统[J].仪表技术与传感器，2012，3：76-81.

[5]刘陵顺，张树团，高艳丽.TMS320F28335 DSP原理及开发编程[M].北京：北京航空航天大学，2011.

[6]李立伟，王英，包书哲.光伏电站智能监控系统的研制[J].电源技术，2007，31(1)：76-79.

[7]高阳，潘宏侠，吴升，等.基于DSP的电力设备远程监测分析系统[J].电力自动化设备，2010，30(1)：127-131.

Distributed photovoltaic power generation equipmentmonitoring system based on CAN bus

YU Yun-jun1，ZHANG Yan-fei1，WAN Xiao-feng1*，ZHENG Bo-fu2，YANG Xiao-hui1
(1.College of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang Jiangxi330031，China;2.College ofEnvironmental Engineering，Nanchang University，Nanchang Jiangxi330031，China)

A real-time monitoring and control system based on CAN bus was designed to monitor and control the equipment in distributed photovoltaic power generation system.The TMS320F28335 was used as controller to collect the various states parameters of the photovoltaic power generation equipment，and a communication network based on the CAN bus and industrial computer was built.The industrial computer was used for concentrated display of photovoltaic power generation equipment operating status，which can be more intuitive understanding of the operating state ofeach device.It is easy to be applied to various algorithms in order to achieve them icro-grid control function.The test results show that the system achieves good results which is stable and long online real-time monitoring.

distributed photovoltaic power generation;CAN bus;TMS320F28335;equipmentmonitoring system

TM 615

A

1002-087 X(2016)07-1450-04

2015-12-01

国家国际科技合作专项(2014DFG72240)；国家自然科学基金(61563034)；江西省自然科学基金(20151BAB206051)；江西科技支撑计划(2013BBE50102)；江西省青年科学基金(20132BAB211039)

余运俊(1978—)，男，江西省人，博士后，副教授，主要研究方向为光伏智能微网及低碳电力。

万晓凤(1964—)，女，江西省人，教授，主要研究方向为计算机控制与嵌入式智能仪表及光伏智能微网。